基于ATP情境的高考命題研究

山東 劉訓和 周學紅

(作者單位：山東省淄博市臨淄中學)

ATP是細胞的能量“通貨”，其結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性決定了ATP易與合成代謝和分解代謝相關(guān)聯(lián)，參與能量的轉(zhuǎn)移和利用；又因ATP的催化位點多，供能范圍廣，由此奠定了能量“貨幣”的地位。ATP作為細胞內(nèi)重要的活性分子，理所當然成為高考命題的熱點。本文旨在梳理與ATP有關(guān)的命題情境和知識背景，助力生物學教學和高考備考。

1.基于ATP結(jié)構(gòu)考查物質(zhì)與能量變化

ATP的結(jié)構(gòu)式為A—P～P～P，由于磷酸基團帶有負電荷，相鄰兩個磷酸基團間的互斥力使得ATP的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，同時也賦予了將兩個磷酸基團連接在一起的化學鍵較高的轉(zhuǎn)移勢能。在與細胞內(nèi)的吸能反應偶聯(lián)時，ATP可水解釋放能量用于生命活動。高考命題常基于ATP的結(jié)構(gòu)特點進行考查，如例1所示。

【例1】(2018年4月，浙江卷，第10題)ATP是細胞中的能量通貨，下列敘述正確的是

( )

A.ATP中的能量均來自細胞呼吸釋放的能量

B.ATP-ADP循環(huán)使得細胞儲存了大量的ATP

C.ATP水解形成ADP時釋放能量和磷酸基團

D.ATP分子中的2個高能磷酸鍵不易斷裂水解

【答案】C

本題的A選項考查合成ATP的能量來源；B選項考查細胞中ATP和ADP的相互調(diào)節(jié)與穩(wěn)態(tài)；C、D兩個選項考查ATP水解過程中物質(zhì)和能量的變化。這些考查內(nèi)容滲透了結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。

細胞內(nèi)形成ATP的途徑有光合磷酸化、氧化磷酸化和底物水平磷酸化。光合磷酸化發(fā)生在植物葉綠體的類囊體膜或光合細菌的載色體上，光合色素將吸收的光能轉(zhuǎn)化為電能；氧化磷酸化發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上，有機物中能量經(jīng)氧化分解轉(zhuǎn)化為電能。在電子傳遞過程中，電能轉(zhuǎn)化為質(zhì)子的(H+)電化學勢能后，經(jīng)ATP合酶的作用將電化學勢能儲存在ATP中。底物水平磷酸化時高能中間代謝產(chǎn)物中的能量直接轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，在細胞質(zhì)基質(zhì)中，1分子葡萄糖在酵解成丙酮酸的過程中可通過此途徑生成2分子ATP。

2.ATP參與磷酸化過程

真核生物細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導過程中，普遍存在著磷酸化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性的現(xiàn)象。蛋白質(zhì)分子表面的絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸的R基團上有羥基，在蛋白激酶的作用下，ATP最外側(cè)的磷酸基團可與羥基反應，將磷酸基團轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)上，這個過程稱為磷酸化，磷酸化后的蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變。在信號轉(zhuǎn)導過程中，蛋白質(zhì)構(gòu)象的改變起到了“開”或“關(guān)”的作用，一次“開關(guān)”循環(huán)需要消耗1分子ATP。許多蛋白質(zhì)通過磷酸化和去磷酸化實現(xiàn)對刺激的響應，完成細胞內(nèi)的酶調(diào)節(jié)或細胞信號轉(zhuǎn)導(圖1)。

圖1

【例2】(2021年，湖南省普通高中學業(yè)水平選擇性考試，第5題)某些蛋白質(zhì)在蛋白激酶和蛋白磷酸酶的作用下，可在特定氨基酸位點發(fā)生磷酸化和去磷酸化，參與細胞信號傳遞，如圖2所示。下列敘述錯誤的是

( )

圖2

A.這些蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化過程體現(xiàn)了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀點

B.這些蛋白質(zhì)特定磷酸化位點的氨基酸缺失，不影響細胞信號傳遞

C.作為能量“通貨”的ATP能參與細胞信號傳遞

D.蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化反應受溫度的影響

【答案】B

本題B選項中，能發(fā)生磷酸化的氨基酸是指蛋白質(zhì)表面的蘇氨酸、絲氨酸和酪氨酸等帶有羥基基團的氨基酸，這些氨基酸的缺失會影響到蛋白質(zhì)的磷酸化。溫度通過影響蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性進而影響磷酸化和去磷酸化進程。磷酸化后的蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變，在細胞內(nèi)，磷酸化和去磷酸化在信號傳遞過程中起“開關(guān)”作用。

3.ATP參與RNA的合成(復制及轉(zhuǎn)錄)

在細胞內(nèi)，ATP參與DNA的轉(zhuǎn)錄及RNA的復制，是合成RNA的原料(NTP：ATP、UTP、GTP、CTP)之一。在ATP的水解反應中，ATP水解成ADP還是AMP取決于反應所需。在RNA的合成反應中，釋放1個高能磷酸鍵的能量不足以支持反應的進行，這種情況下，ATP水解的途徑發(fā)生改變，即先形成1個AMP和焦磷酸(PPi)，焦磷酸中的能量在后續(xù)反應中被釋放，整個過程斷裂了2個高能磷酸鍵；同時，AMP參與RNA子鏈的合成(圖3)。UTP、GTP和CTP參與合成RNA的情況與ATP相同。

圖3

4.dATP參與DNA的復制、逆轉(zhuǎn)錄和PCR

dATP與ATP在結(jié)構(gòu)上有微小的區(qū)別：ATP中核糖的2′碳位上連有—OH，dATP在該位置為—H。將對ATP的考查遷移至dATP情境下，能很好地考查學生的演繹推理能力，考查學生在新情境中抓住關(guān)鍵事實特征，將所學知識遷移到新情境解決新問題、得出新結(jié)論的能力。

【例3】(2021年，全國甲卷，第30題節(jié)選)用一段由放射性同位素標記的DNA片段可以確定基因在染色體上的位置。某研究人員使用放射性同位素32P標記的脫氧腺苷三磷酸(dATP，dA—Pα～Pβ～Pγ)等材料制備了DNA片段甲(單鏈)，對W基因在染色體上的位置進行了研究，實驗流程的示意圖如圖4。

圖4

回答下列問題：

(1)該研究人員在制備32P標記的DNA片段甲時，所用dATP的α位磷酸基團中的磷必須是32P，原因是________。

【答案】(1)dATP脫去β、γ位上的兩個磷酸基團后，則為腺嘌呤脫氧核苷酸，是合成DNA的原料之一

dATP斷鍵形成dAMP和焦磷酸，dAMP在DNA聚合酶的作用下?lián)饺胄潞铣蒁NA子鏈的3′端，與3′上的—OH形成磷酸二酯鍵。由于DNA聚合酶只能沿模板鏈的3′→5′端移動，因此新合成子鏈的延伸方向為5′→3′端。這個過程發(fā)生在DNA復制、逆轉(zhuǎn)錄和PCR過程中，催化DNA復制過程的酶為DNA聚合酶，催化逆轉(zhuǎn)錄過程的酶為逆轉(zhuǎn)錄酶(RNA依賴性DNA聚合酶)和Taq酶(耐高溫的DNA聚合酶)，這些酶都是DNA聚合酶。

圖5

5.ddATP參與DNA測序

與dATP相比，ddATP中五碳糖的2′、3′碳位上的—OH均脫氧，稱雙脫氧腺嘌呤核苷三磷酸(ddATP，如圖5所示)。由于3′碳位上沒有—OH，只有一個—H，不能和下一個核苷酸的磷酸成鍵，造成DNA子鏈延伸的終止。

【例4】雙脫氧核苷三磷酸(ddNTP)與脫氧核苷三磷酸(dNTP)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。已知ddNTP按堿基互補配對的方式加到正在復制的子鏈中后，子鏈的延伸立即終止。某同學要通過PCR技術(shù)獲得被32P標記且以堿基“C”為末端的、不同長度的子鏈DNA片段。在反應管中已經(jīng)有單鏈模板、引物、DNA聚合酶和相應的緩沖液等，還需要加入下列哪些原料

( )

圖6

①dGTP，dATP，dTTP，dCTP

②dGTP，dATP，dTTP

③α位32P標記的ddCTP

④γ位32P標記的ddCTP

A.①③ B.①④ C.②③ D.②④

【答案】A

雙脫氧法DNA測序法的原理是將同一段DNA序列置于4個PCR反應管中，每個反應管中均含有1對相同引物、Taq酶、dNTP、Mg2+及緩沖液。另外，再在每個反應管中分別加入一定量32P標記(或熒光標記)的ddATP、ddTTP、ddCTP和ddGTP，在PCR過程中，放射性的ddNTP和dNTP競爭并隨機嵌入新子鏈中。由于ddNTP的3′碳位上缺少羥基，不能連接新的核苷酸，新子鏈的延伸就此停止并具有放射性的末端。PCR完成后，每個反應管中形成了一組長度不同的DNA單鏈。對4組DNA單鏈進行凝膠電泳，依據(jù)DNA長度(分子量)的不同進行分離，將分離結(jié)果按順序取讀可得到DNA序列(圖7)。

圖7

本題中，由于PCR時ddATP是以ddAMP的形式摻入DNA子鏈的，因此放射性32P應在α位上。若在PCR管中加入dGTP、dATP、dTTP及ddCTP情況又會怎樣？此時在PCR反應管中只能得到單一長度的DNA單鏈，因為PCR會終止于子鏈上的第1個“C”，達不到DNA測序的目的。

分析以上試題可以看出，關(guān)于ATP的命題方向有三個：一是基于ATP的化學組成和結(jié)構(gòu)特點考查結(jié)構(gòu)與功能觀；二是基于ATP和ADP相互轉(zhuǎn)化對生命活動的意義考查穩(wěn)態(tài)與平衡觀；三是基于ATP與代謝的耦合考查物質(zhì)與能量觀。筆者認為，將來ATP的命題情境有可能向基于ATP合酶的化學滲透學說延伸。